Na era 5G, os compostos de diamante / metal podem salvar dispositivos semicondutores superaquecidos?

Com o rápido desenvolvimento da tecnologia eletrônica, a tecnologia de comunicação entrou gradualmente na era 5G. Enquanto os materiais semicondutores são constantemente atualizados, os circuitos integrados também estão se movendo na direção de grande escala, alta integração e alta potência. A aplicação de materiais semicondutores de largo bandgap representados por SiC e GaN levou ao rápido desenvolvimento de transistores bipolares de porta isolada (IGBTs), o que está abrindo uma nova situação para uma nova geração de tecnologia da informação.

Alta potência e alta densidade de corrente são a tendência de desenvolvimento dos chips IGBT, que inevitavelmente causam superaquecimento dos componentes eletrônicos. Dados de pesquisa mostram que quando a temperatura da superfície do chip atinge 70-80 ° C, a confiabilidade do chip diminui 5% para cada aumento de 1 ° C na temperatura. Mais de 55% dos modos de falha de dispositivos eletrônicos são causados ​​por temperatura excessiva. Para resolver o problema da dissipação de calor, além de adotar uma tecnologia de resfriamento mais eficiente, é urgente desenvolver novos materiais de embalagem eletrônicos leves com uma condutividade térmica superior a 400W / (m · K) e um coeficiente de expansão compatível com o material semicondutor. Como um novo tipo de material de embalagem eletrônico, os materiais compostos de diamante / metal têm gradualmente se movido para o centro do palco após mais de dez anos de pesquisa e desenvolvimento, e são altamente esperados.

O diamante tem excelente desempenho, como largura de banda proibida grande, alta dureza e condutividade térmica, alta velocidade de deriva de saturação de elétrons, resistência a altas temperaturas, resistência à corrosão e resistência à radiação. É usado em eletrônica de potência de alta tensão e alta eficiência, microeletrônica de alta frequência e alta potência, optoeletrônica ultravioleta profunda e outros campos têm perspectivas de aplicação extremamente importantes. O diamante tem a maior condutividade térmica (2200W / (m · K)) entre as substâncias naturais atualmente conhecidas, que é 4 vezes maior do que o carboneto de silício (SiC), 13 vezes maior do que o silício (Si) e maior do que o arseneto de gálio (GaAs ) É 43 vezes maior, o que é 4 a 5 vezes maior do que o cobre e a prata. Atualmente, os materiais compostos de dissipação de calor de diamante / metal são promissores.

O diamante é um cristal cúbico, formado pela ligação covalente de átomos de carbono. Muitas das propriedades extremas do diamante são o resultado direto da força de ligação covalente sp³ que forma uma estrutura rígida e um pequeno número de átomos de carbono. O metal conduz calor por meio de elétrons livres e sua alta condutividade térmica está associada à alta condutividade elétrica. Em contraste, a condução de calor no diamante só é realizada por vibrações de rede (ou seja, fônons). As ligações covalentes extremamente fortes entre os átomos de diamante fazem com que a estrutura cristalina rígida tenha uma alta frequência de vibração, então sua temperatura característica de Debye é tão alta quanto 2220K. Como a maioria das aplicações são muito mais baixas do que a temperatura de Debye, o espalhamento do fônon é pequeno, então a resistência de condução de calor com o fônon como meio é extremamente pequena. Mas qualquer defeito de rede produzirá espalhamento de fônons, reduzindo assim a condutividade térmica, que é uma característica inerente a todos os materiais cristalinos.

A condutividade térmica dos materiais compósitos de diamante / cobre é principalmente limitada pelo processo de design e preparação da interface do material compósito, especificamente a condutividade térmica intrínseca da matriz de cobre, diamante, a fração de volume do diamante, tamanho de partícula e a melhoria do interface entre os dois Também é particularmente importante. Geralmente, o diamante com uma forma de cristal completa, baixo teor de nitrogênio, tamanho de 100-500 um é usado como a fase de reforço do material compósito para evitar que a superfície se transforme em uma fase semelhante ao grafite, aumente a fração de volume do diamante no compósito material e ajudar a obter material composto de diamante / cobre de alta qualidade.

Diante dos componentes semicondutores com densidade de potência cada vez maior, vale a pena saber se os materiais compostos de diamante / metal podem atingir uma rápida dissipação de calor.